油頁巖

2023年12月3日發(作者：生病祝福早日康復的話)

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循環流化床燃燒油頁巖的可行性分析

一、流化床燃燒鍋爐的特點

1．對燃燒的適應性特別好，可以燒優質煤，也可以燒各種劣質燃料－高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、各種煤矸石，還可以燒油頁巖、石油焦、尾礦、煤泥、尾氣、爐渣、樹皮、廢木頭、垃圾等。在燃料來源、品種和質量多變的情況下，采用流化床燃燒技術是特別適宜的。

2．燃燒效率高。采用帶飛灰循環燃燒的流化床鍋爐，根據爐型和煤種的不同，燃燒效率可達90%～99%。

3．流化床的截面熱強度高，循環流化床的截面熱強度為3～8MW/m2。

4．流化床燃燒溫度一般為850-950℃，采用石灰石作為床料添加劑時，爐內脫硫效果好。與煤粉鍋爐采用煙氣干法和濕法脫硫相比，前者電廠投資和運行費用大為降低。

5．流化床鍋爐一般采用分級燃燒，燃燒溫度不高，NOX的濃度為100～200ppm。

6．流化床鍋爐的負荷調節范圍大，調節性能好。傳統的沸騰床負荷變化范圍為100%～50%。循環床鍋爐，采用改變灰循環量可使鍋爐的負荷變化范圍為100%～25%。負荷的連續變化速率可達5%～10%。

7．流化床鍋爐的冷渣含碳量低，可作為水泥熟料的添加劑和建筑材料。

8、我國是一個以煤為主要能源的國家，煤炭資源僅次于前蘇聯、美國，煤炭年產量占世界第一位。已探明我國煤炭儲量達7700億t，南北煤炭儲量和質量差別甚大。北方煤炭資源豐富、煤質好。南方煤炭資源貧乏、煤質差。多年來煤矸石的累積量為10～12億t以上，加上洗中煤。每年可用來發電的劣質煤、煤矸石可達4000～5000萬t，可裝機2000～3000MW。流化床燃燒鍋爐能燒優質煤，也能燒劣質煤。循環床鍋爐燃燒效率高，可與煤粉鍋爐相競爭。從節約煤炭和利用劣質煤的觀點出發，發展流化床鍋爐的意義是不言而喻的。

9、煤燃燒過程中生成的SOX、NOX等有害氣體已威脅全球，我國每年排入大氣中的SO2約87%和NOX約67%來自煤的燃燒，造成了大面積酸雨，嚴重影響工業和農業的生產。

燃燒過程中生成的CO2和N2O等是產生地球溫室效應的氣體，更引起世界各國科學家密切的關注。

總之，燃燒過程中生成的有害氣體，特別是溫室效應氣體引起的全球變暖是沒有國界的。保護環境，保護地球，也就是保護人類本身，應作為頭等重要的大事列入聯合國的議事日程。

流化床燃燒，采用石灰石作添加劑能實現燃燒過程中脫硫。另外，流化床燃燒溫度可控制在850～950℃，燃燒過程中生成的NOX能滿足環保的排放標準。

10、CO2是一種溫室效應氣體，它的有害影響如上所述。流化床燃燒首先采用床內脫硫，然后再用濕法脫除煙氣中的殘余SO2。在煙氣中SO2含量極微的情況下，用壓力為3.535×105Pa的蒸汽轟擊煙氣能回收CO2使其壓縮和液化，最后通過過濾達到食用等級的質量，以液體和干冰的形式出售。這一方面起到了減輕地球的溫室效應，阻止地球變暖而帶來的海平面上升所得到的社會效益是無法用數字表示清楚的。

二、油頁巖的特性

油頁巖又稱油母頁巖是一種可燃礦物，外觀多呈褐色泥巖狀，其相對密度為1.4～2.7。這種石頭里含有石油的成分，油頁巖熱值一般為5000KJ/kg～10000KJ/kg，可以燃燒，發熱量比煤低，每千克油頁巖燃燒時只能發出幾百到幾千千焦熱量，灰分含量較高，油頁巖一般比煤重。油頁巖中的礦物質常與有機質均勻細密地混合，難以用一般選煤的方法進行選礦。含有大量粘土礦物的油頁巖，往往形成明顯的片理。

油頁巖主要組成包括油母、水分和礦物質。①油母。含量約10％～50％（干基），是復雜的高分子有機化合物，富含脂肪烴結構，而較少芳烴結構。油母的元素組成主要為碳、氫，以及少量的氧、氮、硫；其氫碳原子比為1.25～1.75。油母含量高，氫碳原子比大，則油頁巖產油率高。②水分。為4％～25％不等,與礦物質顆粒間的微孔結構有關。③礦物質。主要有石英、高嶺土、粘土、云母、碳酸鹽巖以及硫鐵礦等。含量通常高于有機質。

三、循環流化床燃燒油頁巖的優越性

1、循環流化床燃燒油頁巖的溫度一般為850℃，有較好的燃燒效果，高溫腐蝕小，積灰輕，經濟性和環境性能很好。

2、分級和低溫燃燒NOx排放低。 3、含碳酸鈣油頁巖燃燒時，控制燃燒溫度在850℃左右，自脫硫（不需外加石灰石）能力強，SO2的排放小于5ppm。

4、循環流化床燃燒油頁巖，飛灰份額小，采用布袋除塵或電除塵，粉塵排放濃度達到100mg/Nm3。

5、幾乎油頁巖中全部硫以硫酸鈣的形式被保留在灰渣中，使尾部受熱面的積灰松、軟，很容易經吹灰清除，維持設計排煙溫度，排煙熱損失小。

6、燃燒溫度低，850℃左右，受熱面由SO2和KCL引起的高溫腐蝕基本被消除。

7、循環流化床燃燒溫度（850℃）低，油頁巖中CaCO3分解量（與粉狀高溫燃燒比）大為減少，這導至CO2排放量減小，燃料消耗量減小。

8、循環流化床低溫燃燒油頁巖，改善了灰渣的成份和特性，有利于灰渣綜合利用。

9、油頁巖灰中CaO含量相對較高，自脫硫能力很強，不外加石灰，SO2排放接近零。

四、純燒油頁巖與油頁巖加高熱値的煤燃燒

由于油頁巖熱值一般比較低（為5000KJ/kg～10000KJ/kg）灰分含量較高，與其它熱值相對較高的煤種來說，同樣鍋爐負荷情況下，鍋爐的整體結構布局較大，鍋爐成本較高。最為理想的燃燒狀況為油頁巖適當摻燒一定量熱值高的煤種，可以更加經濟的燃燒。 五、油頁巖鍋爐結構設計

通常燃料的發熱量對給料裝置尺寸的確定、燃燒室、顆粒分離器設備等的尺寸大小產生影響；對燃燒室、尾部受熱面的熱量分配產生影響；燃料灰分對燃料顆粒尺寸的確定、排渣裝置的確定及選型有較大影響；揮發分與固定碳的含量決定了燃料特性；燃料中含硫量確定了石灰石給料系統及灰處理系統，對床層溫度的確定亦有很大影響；灰的特性對床運行時最高溫度等有決定性作用，床層只能在灰變形溫度以下運行。

鍋爐結構的設計是以燃料特性為基礎，在對油頁巖燃料與燃燒特性進一步深入研究的基礎上，結合循環流化床鍋爐設計與實際運行經驗，確定了油頁巖循環流化床鍋爐的設計原則。

油頁巖顆粒呈片狀結構油頁巖不同于其它固體燃料，特殊的物理結構決定其破碎后呈片狀結構且具有良好的自相似性。因此油頁巖投入流化床后，其片狀結構特性導致迎風表面積劇烈變化。最大投影面積迎風時為穩態流化；最小投影面積迎風時則顆粒失流而沉積，這種現象在燃燒室邊壁外更為明顯。油頁巖的片狀結構特性，極易導致溝流，而形成局部死區。為保證在流化床中油頁巖獲得高的流化質量、床中顆粒混合均勻，根據循環流化床鍋爐的運行經驗確定流化床熱態運行風速為5-6m/s),同時布風板處配置較高的小孔氣流速度為50-60m/s。揮發分含量高油頁巖的揮發分含量很高，空氣干燥基為42%。根據對甸油頁巖的實驗研究，油頁巖循環流化床密相區燃燒份額約為0.5-0.6，而通常燃燒褐煤的循環流化床密相區為0.7-0.8，燃燒無煙煤循環床密相區燃燒份額在0.9以上，與它們相比，油頁巖將有很大比例的可燃物質在稀相區燃燒和燃盡。為保證可燃氣體和極細顆粒一次燃盡，減小化學不完全燃燒熱損失，應采用較低稀相區流速。這樣可使可燃氣體和固體物料在爐內停留時間延長，使鍋爐獲得高燃燒效率。同時由于稀相區處燃燒份額高，大量熱量將會被帶出爐膛，這勢必使主循環回路吸熱量少，而尾部對流受熱面吸熱量多。如對于劣質燃料約有60%熱量需帶至尾部對流受熱面；對于優質燃料如煙煤，則只有40%量帶至尾部對流受熱面。因此在燃燒油頁巖的循環流化床鍋爐總體設計中應周密考慮對流受熱面的設計。

油頁巖含硫量很低，約為1%，而灰中CaO含量高達15%，計算得到鈣硫摩爾比為4.538,同時，油頁巖灰分中含有多種金屬氧化物，這些金屬氧化物也具有脫硫作用，因而油頁巖將有很強的自脫硫能力。在沒有額外加入脫硫劑CaCO3,、運行溫度為850℃條件下，自脫硫率可達96%以上，SO2排放量遠低于環保允許值，本身即可有效控制SO2排放量，這樣就不需要再增加石灰石系統，使鍋爐島系統簡單，降低了一次投資。

油頁巖循環流化床鍋爐采用床上點火。燃燒油頁巖的循環流化床鍋爐與燃燒其它煤種的循環流化床鍋爐循環倍率相同時，雖然灰量多可提高爐膛內換熱系數，但灰量增加將使燃燒油頁巖的循環流化床鍋爐受熱面磨損較其它煤種嚴重。隨著鍋爐容量增加，單位時間內投入到爐內的燃料量要增加，這一問題變得更嚴重。為避免由于磨損而引起的受熱面管道泄漏，大型油頁巖循環流化床鍋爐爐膛內部對流受熱面采用耐磨性好的受熱面，同時密相區中的水冷壁敷設防磨層。

大量高溫灰排出爐膛后，不宜于熱量回收，而將造成鍋爐效率降低和熱污染。考慮油頁巖灰分含量高的特點，設計中采用流化床冷渣器。

分離器的確定分離器作為循環流化床鍋爐主循環回路的一個關鍵部分一直受到關注。選擇何種類型分離器涉及到循環流化床鍋爐總體布置、分離器效率、循環倍率和啟停爐等多種因素。其中，循環倍率反映了不同燃料顆粒在燃燒室內的不同循環次數和累積停留時間，對分離器確定起著至關重要的作用。綜合考慮燃燒與燃盡、爐內傳熱強度、過熱器汽溫調節、負荷調節、運行穩定性、分離系統可靠性、受熱面磨損、動力消耗和污染物排放，確定油頁巖循環流化床鍋爐采用低倍率循環是合適的，其循環倍率為6,所需分離器的最小分離效率為91%-93%。

通過以上分析，循環流化床鍋爐燃燒油頁巖是可行的。

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